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  生物電子學的一大目標是實現生物體和電子器件的無縫共存，但這并不容易，因為電子器件通常需要保持干燥、需要依靠電子流動傳輸信號，而生物則是柔軟、濕潤、充滿著各式各樣的離子運動。因此，緊密包裹整個器件、隔絕電子器件與生物組織界面直接接觸的封裝，介電材料---生物電子器件的“皮膚”---發揮著重要作用。作為良好的封裝材料，需要同時具備以下三大特性：第一、材料的力學性質需要與生物組織接近，使得形成的材料-界面能夠保持長期的力學穩定，第二、材料的化學，溫度穩定性強，能抵御復雜的生理環境的變化，第三、材料需要對電子和離子的運動具有優良的阻隔性，從而最大限度的避免電學信號長距離傳輸中的損耗和生物體內離子向電子器件的流動和侵蝕。近期研究表明，使用有機彈性體材料制備的封裝材料足夠軟、機械相容性足夠強，且在生理環境中十分穩定，可以滿足上述的前兩大特性。

  然而，這類彈性材料在生物環境中作為電子、離子絕緣屏障的性能究竟如何，人們并沒有系統的研究過？在近期發表在Nano Letter雜志上，題為Fundamental Limits to the Electrochemical impedance Stability of Dielectric Elastomers in Bioelectronics一文中，來自哈佛大學的劉嘉課題組對常見絕緣彈性體材料（聚二甲基矽氧烷（PDMS）、苯乙烯-乙烯/二烯塊狀共聚物（SEBS）、聚異丁烯（PIB））在生理環境下的電學性質進行了系統的表征和研究。

圖1：有機彈性體材料在生理環境中的電學封裝表現。a.傳統生物電壓傳感系統圖示。b.圖a的等效電路示意圖。c.本文中運用的電化學阻抗譜表征法的等效電路示意圖。d. 三種常見絕緣彈性體材料在生理環境中100赫茲時的阻抗，隨時間推移的變化。

  如圖1a、b所示，傳統的生物電壓傳感系統一般由生物體內的傳感電極、引線和體外的放大器組成，其中引線部分必須被作為封裝的介電材料完全包裹，從而降低電學信號在生理環境中傳輸時遭受的環境噪聲和損耗。介電材料對引線的絕緣性能通常用電化學阻抗表征。在本文中，研究者運用了電化學阻抗譜的方法來模擬和表征多種材料在生理環境下的電學封裝性能（圖1c）。研究發現，上述三種常見絕緣彈性體材料在生理環境中100赫茲時的阻抗，隨時間推移都會顯著降低，意味著其電學封裝性能會隨著時間不斷下降。

圖2：有機彈性體材料中離子擴散的表征和模擬結果。a.圖1d中彈性體材料的厚度在生理環境中隨時間的變化。b.SEBS在不同離子濃度生理鹽水中的奈奎斯特圖譜。插入圖放大展示了該圖譜的高頻段結果。c.由圖2b得到的在不同生理環境中SEBS內的離子導電率。d.分子動力學模擬得到的鈉離子在PIB和SU-8（一種傳統環氧聚合物封裝材料）內、不同溫度條件下的均方位移。e.分子動力學模擬得到的水分子、鈉離子和氯離子在PIB內的離子擴散系數。f.在本文實驗條件下（圖1c）推算出的有機彈性體材料內的離子濃度隨生理鹽水中離子濃度的變化。

  進一步實驗結果顯示，彈性體材料的電化學阻抗在生理環境中的降低遵循離子在溶液中擴散的規律（圖2a），且彈性體中的離子導電性隨周圍離子的濃度呈線性增長（圖2b、c）。分子動力學模擬結果（圖2d、e）進一步證實了彈性體材料的電化學阻抗在生理環境中快速降低的主要機理為溶液中的離子在彈性體材料內擴散。研究發現，在生物體液中浸泡數十小時后，彈性體材料中的離子濃度要遠遠高于未經浸泡的彈性體材料（圖2f）。

圖3：基于有機彈性體封裝材料的微納電極在生理環境中的電信號傳輸損耗研究。a.用于計算帶寬的等效電路圖。b.本次研究用到的微納電極尺寸圖示。c-e.圖3b所示電極尺寸下，運用有機彈性體作為封裝材料，電信號傳輸隨距離的衰減（c），以及不同頻率電信號傳輸的衰減（d=1000Hz，e=100Hz）。

  基于以上結果，研究者開發了一個基于多種變量的模型來預測運用有機彈性體作為封裝材料對于微納米尺度電極在生理環境的電信號損耗影響。模擬顯示，由彈性體內離子擴散所導致的漏電流最終會徹底阻止電信號在相關頻率的有效傳輸（圖3c-e）。

  本文總結了一個重要信息：在研究者們熱衷于使用有機彈性體替代傳統環氧聚合物、無機氧化物作為生物電學器件封裝材料的同時，不應僅僅關注其優越的力學和化學性質，更應該小心仔細的探究該材料在生理環境下的離子、電子阻斷能力，不然則會極大影響最終的傳感性能。

  美國哈佛大學工程與應用科學學院的劉嘉助理教授為本文的通訊作者。哈佛大學博士生Paul Le Floch為本文第一作者。參與該工作的還有哈佛大學的Nicola Molinari博士后、南科望博士后、Boris Kozinsky副教授、鎖志剛教授等。該工作得到了美國國家自然科學基金、哈佛大學微納米加工中心等機構的資助。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b03705

  哈佛大學劉嘉課題組https://liulab.seas.harvard.edu/